Development of the Full Active Suspension by Nissan

1、Development of the Full Active Suspension by Nissan日产开发的全主动悬架Yutaka Aoyama，Kazunobu Kawabata,Shinichi Hasegawa,Yuji Kobari, Masaharu Sato,and Eiji Tsuruta Nissan Motor Co.,Ltd.ABSTRACT日产开发了一种液压主动悬架，用油泵作为动力源产生的液压力力来平衡车辆的外部力。这样，悬架系统能够自由的、连续的控制车辆运动。这种控制能力使它比传统悬架系统提供更好的乘坐舒适性和动力性。这种液压系统主要特点包括：（1）使用“天棚”阻尼

2、实现主动反跳控制，（2）频感（frequency-sensitive）阻尼机构，（3）主动控制侧倾、俯仰运动。INTRODUCTION设计师的目标是设计安全、舒适和有驾驶乐趣的悬架系统，这意味着汽车在不需要额外操作的情况下，能时时按照驾驶员的意图传递满意的性能。这也意味着驾驶员能冷静的操控汽车，不会过度紧张或压力。为了满足这些性能需要不同类型的电控悬架，与传统机械操纵装置相比能提供更大的设计自由，已经在现生产车辆上使用。尽管悬架性能受到广泛称赞，但是离理想的悬架系统还有一定的差距。理想情况下，悬架应该缓和吸收所有路面输入和抑制车姿的改变以排除任何极限运动，此外，不管是在凹坑、鼓包、路面不平度以

3、及紧急制动和转向在内的所有工况悬架都能发挥以上功能 。液压主动悬架被看作是突破悬架系统性能的一种有效方法，全世界的汽车制造商都在致力于开发这种类型的悬架系统。莲花公司所做的研究工作就是一个众所周知的这种实例。本文介绍的主动悬架是一种能连续提供能量控制车辆的运动和按照驾驶员的意图行驶。目前可以利用的技术只有电动控制液压主动悬架。(1)、(2)在日产我们开发了一种新颖的全主动悬架。本文描述了这种悬架系统的目标、特点和功能，重点介绍了对车辆姿态改变的控制和提高乘坐舒适性。系统目标基本上，设计目标都是为了比传统的悬架系统获得更高的乘坐舒适性和动力性。可以根据施加在车上的惯性力控制每个车轮上执行器的液压

4、来实现。下面概述了这种悬架系统的具体目标。提高乘坐舒适性-目标是为了获得操纵稳定性和平顺性、舒适性。这就意味着基于天棚阻尼原理和频感阻尼有选择性的达到这个目标。提高操纵轻便性-目标是抑制驾驶员姿势和视角的改变提高操纵轻便型，因此使驾驶员更从容、轻松驾驶。另一个附加目标就是提高安全性能，减少在突然转向或制动操作中汽车的运动。这意味着通过主动瞬时控制、反跳控制选择性的达到目标以保证车辆姿态稳定。系统特点天棚阻尼-图1比较了传统结构和全主动悬架等效模型，全主动悬架根据簧载和非簧载相对速度产生阻尼力。图1-（c）中的模型进行了描述，相应的运动方程表达式如下： (1)应用拉普拉斯方程转化得到主动悬架系统

5、的传递特性表达式： (2)其中， 和 共振峰值： (3)比较可知，结合天棚阻尼（图1-d）的全主动悬架，仅仅相对车身垂直速度方向产生阻尼力（加速度一次积分），非簧载质量不产生相对运动。下面分别给出了天棚阻尼运动方程，传递特性和共振点方程： (4) = (5)其中， ， 和 (6)因此， (7)有可能得到一个小于1的共振点。图2是底盘测量结果显示了天棚阻尼的效应，共振点的值减小了10dB。图3描述了由两个自由度和两个质量，簧载质量和非簧载质量模型得出的轮胎接地性的分析结果。图中的参数Cs表示天棚阻尼的阻尼力。假定轮胎接地性由非簧载相对速度与路面速度的比值表示。基于这种假设，很清楚的看到在接近簧载

6、质量共振区天棚阻尼对轮胎接触地面有实质性的改善。频感（frequency-sensitive）阻尼-提高乘坐舒适性的理想阻尼特性，包括产生大的阻尼力抑制低频簧载振动和适当的阻尼力缓和吸收非簧载振动。由于使用主动控制可以抑制簧载振动，所以全主动悬架的阻尼力可以设置的比传统的减振器低。在日产系统中，通过弹簧上的副发生器、减振器阀的阻尼和控制阀的压力产生抑制非簧载振动的阻尼力。用图4(b)中的等效模型可以得出传递特性为： (8)系统中的等效阻尼常数Ceq()计算如下 (9)从图4可以看出，等效阻尼常数描述了频感特性。因此，通过调节Ka、Cv和Ca的值可以把阻尼常数相对频率的值设置成最优值。图5仿真分

7、析了天棚阻尼和频感阻尼共同作用的结果。比较结果表明全主动悬架在整个频率范围内都提供了极好的乘坐舒适性。主动控制侧倾、俯仰-大多数侧倾、俯仰运动都是簧载重心的侧向加速度和纵向加速度产生的瞬时力造成。如图6所述，维持整车姿态可以通过发生器产生的反力抵消加速度产生的力，这个原理以侧倾为例加以说明。 (10)发生器产生的力 (11)根据控制发生器的力与侧向加速度的比值可以消除侧倾。俯仰控制可以获得同样的效果。根据纵向加速度控制发生器的力可以抑制俯仰和横摆运动。系统结构和功能液压系统如图7所示，系统输入值和输出结果如图8，系统中零部件在整车中的位置如图9所示。系统结构主要特征概述如下。系统假定能量消耗量

8、和控制阀响应为实际值。几个副发生器和压力控制单元共同抑制非簧载振动。目的是减少需要的液压油量和减小控制阀响应载荷。油气弹簧和系统并联适当减小需要的液压，另一方面使用可变容量的油泵有助于降低能量消耗量。当发动机不运转的情况下，通过一个主单向阀和液控单向阀维持车辆高度不变，这两个阀集成在一个多阀单元里。利用旁通阀和返回单向阀构建的压力控制单元，设计了一个简单而又高效的失效-安全系统。系统部件-下面对主要的部件作了一个简要的描述油泵总成-图10介绍了油泵总成的内部液压图和油泵的卸流率特性。两个活塞泵的卸流率不同，通过电磁阀在两个泵之间进行切换，因此可以通过三个可选模式中的一个来控制液压系统的卸流率，

9、选择合适的卸流率来匹配车辆行驶条件，这种工作模式可以提高燃油经济性。压力控制阀-图11介绍了压力控制阀和执行器的结构。四个轮子上都安装了压力控制阀，功能上是控制执行器的液压压力。电磁比例压力控制阀(pilot-type proportional electromagnetic pressure control valves)和执行器一起充分响应，抑制瞬时侧倾运动。执行器-执行器由液压缸、蓄压器和阻尼阀组成。通常还配备辅助螺旋弹簧，降低所需的系统油压。加速度传感器-系统中有六个加速度传感器监测各个方向产生的加速度。包括一个纵向，两个侧向和三个垂向加速度传感器。这些传感器形成球状(ball)位移测

10、试类型，提供了一个近似的输出结果。控制器-控制器由两个高速的16位微处理器组成，提供快速的计算周期，抑制瞬时侧倾运动，几毫秒一个计算周期。控制功能加速度控制-加速度控制功能图如图12，垂直加速度在和控制增益相乘前首先和第一个延时元素相乘。侧向和纵向加速度直接和他们的控制增益相乘。这些值的和就是每个轮的输出结果。油泵控制-由车辆垂向位移变化所需流量速度(flow rate)决定油泵的卸流率(discharge)，当车辆侧向加速度超过某个值时，油泵卸流模式能及时补偿满足更高流量的瞬时需要。车辆高度控制-判断电路用来确定车辆高度是否在合适的位置。当电路检测到车辆高度不在允许的范围内时，它将要逐渐改变

11、液压压力，以恒定的的卸流率调整车辆高度到合适的位置。失效安全功能-全主动悬架的设计是为了在发生失效时，能从手动控制操作平稳过渡到带有并联油气弹簧的液压悬架系统。在控制系统中接近有30种类型的判断电路。基于失效发生得形式，当失效发生时，系统启动失效安全阀或者点亮装置面板上的警告灯。失效-安全阀关闭液压压力的供给，使液压系统成为一个闭合电路。这时压力控制阀中的检查值逐渐改变每个轮上的液压压力，防止车身高度突变。驾驶测试结果这部分介绍了安装有全主动悬架和传统悬架小轿车Q45驾驶试验结果。图13描述了车辆在不规则路面上行驶垂直加速度方向力的光谱密度，垂直加速度的平方根曲线如图14。结果表明全主动悬架中

12、的天棚阻尼和频感阻尼装置能有效降低车辆的振动。车辆的侧倾角测量结果如图15，点头和后坐角测量结果如图16。有全主动悬架的车辆能很大程度上降低车辆姿态的改变，应该根据人体的敏感程度、车辆本身的特点和性能的综合考虑，适当的调整整车姿态。图17基于侧倾角和垂直加速度的平方根值，比较了安装有全主动悬架的车辆和几辆安装传统悬架车辆的性能，数据表明全主动悬架能提供较稳的整车姿态和平顺性、乘坐舒适性。结论全主动悬架使汽车悬架技术有新的突破，不像电控悬架系统，全主动悬架根据系统作出的判断连续控制车辆的运动。通过使用能量源来实现，能量源提供足够高的能量、高精度传感器和好的反馈装置。系统提供优越的舒适性和车辆动力性，确保稳定的性能给驾驶员更好的安全性。然而，目前的系统只是向主动悬架靠近了一步，因此还有很大的潜力。期待在不远的将来能创造更先进的悬架系统能提供更好的性能。通过更加主动控制转向机构对车辆性能有更大的提高。20世纪90年代主动悬架革新了汽车工程，这种全主动悬架为将来开发先进的悬架和控制技术指明了方向。参考文献(1)W.F.Milliken,Jr.,”Lotus Active Suspens